高原地区特长隧道洞口冻土冻融力学特性及施工控制技术

白永厚，陈泽盟，王晓川，梁 斌

(1.中交二公局第四工程有限公司，河南 洛阳 471013；2.河南科技大学 土木工程学院，河南 洛阳 471023)

0 引言

近几年，随着中国“一带一路”倡议大开发的实施，在西藏、青海等高海拔寒区相继建成数十座超长隧道。高海拔高寒区隧道围岩长期处于冻融循环状态，对围岩稳定性极为不利[1]。隧道施工会明显改变原有地层的温度场，对原有土层以及施工后的隧道结构产生不利影响[2]。而冻土融化后围岩的含水量增加，容易出现渗水透水现象，岩体强度会进一步降低，威胁到隧道施工安全并影响后期隧道使用[3]。为了保证高原冻土地区隧道施工安全，提高后期使用寿命，有必要对隧道结构和围岩环境进行研究[4-5]。

目前，国内外学者主要采用理论与数值分析相结合的方法研究此类问题[6-11]。国内围岩力学特性的数值模拟法主要是莫尔-库仑(Mohr-Coulomb)屈服准则，用来描述岩土材料的力学性质。但是文献[12]提出该准则不适用于低应力状态和以拉伸为主要破坏形式的工况，在工程模拟中存在一定的局限性，且该准则在节理面的张拉和剪切破坏方面的使用效果一般。文献[13]提出基于莫尔-库仑屈服准则的赫克-布朗(Hoek-Brown)屈服准则，将围岩视为连续介质，破坏模式是线性，同时在低应力状态下适应性较好。文献[14]将理论分析与实测资料相对比，验证了Hoek-Brown屈服准则在隧道工程应用中的合理性。文献[15]采用有限元方法分析了昆仑山隧道DK976+410断面围岩的冻融状况，研究结果表明：隧道边墙围岩温度场受到的扰动比拱顶大，且由施工引起的融化夹层回冻较拱顶迟缓。文献[16]探讨了高寒地区隧道冻胀病害产生的机理及冻胀作用对隧道衬砌结构的影响规律，从衬砌保温、围岩保温和排水系统保温3个方面探讨了隧道施工冻害防治的技术措施。文献[17]采用有限元软件MIDAS-GTS NX分析了软弱围岩公路隧道入口段岩石力学和变形特性，研究结果表明：随着隧道开挖，洞口围岩竖向和水平应力持续增大，隧道拱脚和拱腰处有明显的应力集中，拱腰处产生水平位移，拱顶产生竖向下沉的位移变形。文献[18]结合沈阳地铁2号线隧道工程，对施工采用的管幕支护进行地表沉降监测，并将Peck模型沉降预测值和实测值进行对比，得出预测值和实测值为同一数量级。目前，大部分研究主要针对围岩变形对衬砌结构的影响，而鲜有对隧道开挖施工完成后围岩经历冻融循环的力学特性研究。因此，对高原地区特长隧道洞口冻土冻融力学特性及施工控制技术进行研究，有重要的科研和实用价值。

本文以西藏圭嘎拉隧道K14+402～K27+200标段深埋公路隧道工程为依托，利用MIDAS-GTS NX数值计算软件建立隧道进洞口力学模型，针对洞口处发生冻土冻融循环前后对隧道结构的影响进行模拟；通过对围岩、洞口结构变形和应力分布变化进行分析，对比分析了隧道施工监测数据，进而可以指导工程施工。

1 工程概况

中交二公局第四工程有限公司承担的中国“一带一路”重要项目圭嘎拉隧道，起于拉萨市达孜县林拉高速互通枢纽，止于山南市桑耶镇贡泽高速互通枢纽，是该公路项目的控制性工程。隧道左洞全长12 790 m，右洞全长12 782 m。隧道为80 km/h一级分离式双洞四车道公路隧道，隧道路面设计高程为4 248 m(进口)～4 117 m(出口)，隧道最大埋深约1 152 m。

图1 隧道进洞口

隧道进洞口如图1所示。隧道进洞口位于两沟交汇山脊处，左洞位于山脊居中偏西南位置，右洞位于山脊偏西南斜坡。洞口上覆盖第四系冲积卵石土，厚度为15.50～18.50 m。由于岩土层强度较低，大规模的开挖容易使土体失稳，从而产生崩塌或者滑移而引发地质灾害，建议土层放坡坡率为1∶1.50，并对土质边坡进行支护。开挖时，由于围岩体无自稳能力，容易坍塌，并且透水性强，雨季施工使隧道洞室内产生渗水现象。开挖后，由于气候因素，冬季气温较低，使围岩土体内水分凝结成冰，直至第二年春季消融。在此期间，围岩土体参数发生改变，水凝结成冰后又融化，土体易发生渗水现象，这将造成围岩稳定性下降并影响已建隧道洞口结构的稳定性，易产生围岩滑塌和隧道洞口坍塌等施工事故。

2 有限元计算模型

图2 隧道洞口有限元模型图

为了分析高原地区特长隧道洞口冻土冻融力学特性，运用有限元分析软件MIDAS-GTS NX建立三维力学模型，采用常用的XYZ坐标系。

建模分析时，计算模型边界建立至对隧道开挖影响最小的地方。根据洞口围岩特性，建议边坡开挖坡率采用边坡坡比1∶1.5。X轴方向取100 m，Z轴隧道洞口向下取30 m，洞顶向上取距地表30 m处，Y轴向开挖纵深方向取50 m。在整体结构中选取力学模型，其上下左右4个面均为非自由面，施加位移约束。根据相关规范[19]规定，作用于隧道上表面的荷载统一简化为均布荷载且取值为15 kN/m。隧道洞口有限元模型如图2所示。

参考《公路隧道施工技术规范》[20]，岩土和构件的有限元参数见表1。

表1 岩土和构件的有限元参数

边坡稳定性安全系数为1.20(利用隧道进口路基报告计算结果)，在考虑地下水的作用下，边坡稳定性安全系数为0.956[21]。

针对隧道洞口围岩状态以及经历冻融循环后隧道洞口结构应力变化，进洞采用超前大管棚支护，洞内采用超前小导管支护，以降低冻融循环后围岩应力变化的影响。

3 冻融循环前后洞口力学分析

由于隧道处于海拔4 100 m左右的西藏高原地区，施工所处位置属于季节性冻土区。每年经过冻融循环后围岩表层土内水分发生水相变化，经历固态-液态-固态不断循环，引起土层力学参数改变，对已经开挖隧道的洞口部位产生力学影响，改变施工后隧道结构的稳定性并引起隧道洞口结构变形，易造成隧道塌孔、变形和边坡土方滑移等工程事故。

在建立隧道洞口施工开挖模型的基础上，改变相关围岩温度场参数等并进行计算，得到冻融循环前后洞口冻融循环力学模型。通过对隧道洞口开挖后冻融循环情况进行模拟，为相关隧道洞口施工力学分析提供指导借鉴。

3.1 洞口处力学分析

3.1.1 洞口塑性区变化

隧道开挖后洞口附近围岩出现一定范围的塑性区，该区域围岩强度较弱，因此应予以一定的重视。通过对冻融循环前后隧道洞口进行模拟得到洞口塑性区分布情况，如图3和图4所示。由图3和图4可知：隧道洞口处围岩塑性变形集中在洞口两侧拱腰、拱脚和拱顶处。由于存在围岩偏压和上部围岩分布不均的情况，右洞拱顶塑性值较左洞偏大，属于正常现象。经历冻融循环后，洞口围岩塑性值和面积增大，相比冻融循环前洞口塑性值增大17.4%，更有可能发生洞口坍塌、滑移和洞口结构变形等施工事故，需要在洞口施工时进行洞口结构稳定性分析并进行模拟，以指导施工开挖并及时采取有效的施工措施。

图3 冻融循环前洞口塑性区分布情况

图4 冻融循环后洞口塑性区分布情况

3.1.2 洞口衬砌应力变化

图5 隧道施工监测点

根据隧道施工监测点(见图5)得到洞口模型4个观测点衬砌水平应力变化，见表2。

根据表2可得：洞口衬砌水平应力均集中在右侧拱腰，冻融循环后，左洞拱腰衬砌水平应力最大值为2 924.70 kN/m2、右洞拱腰衬砌水平应力最大值为3 290.34 kN/m2，相比冻融循环前分别增大了46%和28%。可见隧道洞口经历冻融循环后，衬砌水平应力分布规律与冻融循环前相同，两洞口衬砌水平应力最大值依旧出现在4号观测点，但是围岩相应力学参数改变，会产生更大的内力影响和洞口水平洞径收敛变化，从而影响隧道结构的稳定，拱腰处的内力增大会使衬砌产生位移等结构破坏。

表2 洞口观测点衬砌水平应力 kN/m2

3.1.3 洞口竖向应力变化

隧道洞口开挖完成后拱顶会发生竖向沉降，通过隧道洞口有限元模型模拟得到冻融循环前后洞口拱顶竖向应力变化，如图6和图7所示。由图6和图7可以看出：冻融循环后，左右洞口竖向应力分布均集中在拱顶和拱脚处。两洞洞口产生的竖向应力均增大，同时右洞因洞口上方围岩分布不均产生的偏压影响比左洞大，左洞洞口拱顶竖向应力增大15%，右洞洞口拱顶竖向应力增大21%。拱顶竖向应力的增加在实际观测中会产生较大的竖向沉降，发生滑塌或冒顶等危险事故，施工时需要着重注意。

图6 冻融循环前洞口竖向应力变化(kN/m2)

图7 冻融循环后洞口竖向应力变化(kN/m2)

3.1.4 洞口拱脚内力变化

表3为洞口拱脚内力变化。由表3可知：对比冻融循环前后两洞拱脚塑性最大值，左洞右侧拱脚增加1.15倍，右洞右侧拱脚增加0.76倍。两洞拱脚应力均增加，经历冻融循环后围岩力学参数的改变造成左洞右侧拱脚处应力增加46.0%，右洞右侧拱脚处应力增加33.8%。右洞右侧拱脚处应力比左洞大，是因为上部围岩偏压的影响使拱脚处产生应力集中现象。拱脚最大应力产生在右洞，为2 044.84 kN/m2，施工时应注意这些位置并及时加强防护。

表3 洞口拱脚内力变化

3.1.5 洞口锚杆轴力变化

图8 左洞洞口锚杆轴力

隧道洞口施工完成并经历冻融循环后，围岩对锚杆的约束力发生变化，由于两洞口锚杆轴力变化趋势相同，以左洞锚杆轴力图为例进行分析。通过有限元模型模拟得到隧道左洞洞口锚杆轴力，如图8所示。由图8可以看出：经历冻融循环后，围岩对锚杆的约束作用减少，同时锚杆材料发生劣化，弹性阶段历程变短。随着围岩约束作用的降低，锚杆进入弹塑性阶段，锚杆的锚固性也降低，使得冻融循环后锚杆轴力比开挖时降低30%左右。这也会影响隧道支护结构的稳定性，进而降低隧道洞口结构的稳定性，这些需要在隧道施工中重点注意。

经历冻融循环后，围岩力学参数改变，直接影响隧道结构所受内力的改变，在实际工程中产生位移变化和隧道洞身净空收敛，从而影响隧道整体的安全施工和隧道结构稳定性。围岩力学参数的改变容易发生剪切破坏和山体滑坡等灾害，也会发生隧道洞口坍塌等工程事故。这需要施工时对隧道洞口及隧道上部围岩稳定性采取相关措施，如采用超前大管棚或超前小导管进行支护，并及时检测围岩变形。由于隧道施工开挖已经结束，在经历冻融循环后两洞围岩内力改变，对左右两洞结构产生不利影响，施工后初衬和二衬均发生变形，需要在施工后期对左右两洞拱腰、拱脚和拱顶处进行检测，记录并及时实施相应施工措施，以防止因围岩应力变化使洞口结构改变而引起施工事故。

3.2 洞口衬砌稳定性变化

在冻融循环后，左右洞口衬砌位移变化趋势相似，以左洞洞口为例进行分析。根据模拟施工开挖时洞口监测点，得到左洞洞口衬砌观测点经过冻融循环后净空收敛变化，如图9和图10所示。由图9和图10可知：左洞洞口衬砌净空收敛值逐步增加，比冻融循环前净空收敛值增大了18.6%，左洞观测点净空收敛值最大，为47.6 mm。洞口上部围岩由于分布较均匀，虽有偏压影响，但是没有右洞影响明显，整体4个观测点的净空收敛值变化均相同，且经历冻融循环后净空收敛值变化趋势相同，右洞较左洞净空收敛值增大了11%。

图9 冻融循环前左洞洞口衬砌测点净空收敛变化

图10 冻融循环后左洞洞口衬砌测点净空收敛变化

3.3 围岩偏压影响

因为经过冻融循环使围岩内部水相发生凝结、融化循环后，围岩力学性质发生改变，并且由于洞口上部围岩分布不均匀，存在边坡偏压等问题，使得洞口处发生竖向位移沉降，影响隧道结构的稳定。通过有限元模型计算得到冻融循环前后洞口附近围岩竖向位移云图,如图11和图12所示。由图11和图12可以看出：左右洞口拱顶结构均为竖向沉降位移，并且在左洞洞口拱顶处竖向位移增加了11.6 mm，右洞洞口拱顶处竖向位移增加了17.1 mm，均比冻融循环前拱顶竖向位移增加了30%。同时，右洞上方围岩较左洞更厚，对下部洞口的均布压力值会偏大，从而引起右洞洞口拱顶竖向位移较左洞洞口增加1.6倍。

图11 冻融循环前左右洞口竖向位移云图(m)

图12 冻融循环后左右洞口竖向位移云图(m)

4 洞口施工措施

针对以上隧道洞口经历冻融循环前后应力变化、洞口结构变形等问题，本工程洞口段采用超前大管棚支护进洞以及超前小导管支护等综合措施，对现场施工方法进行因地制宜的改进，并提出详细的指导意见。

4.1 超前大管棚支护

进洞口附近存在软弱土层和不良地质，易发生坍塌和滑落现象，需进行超前大管棚支护施工，充分发挥其地层拱的稳定促成效应、梁拱效应和拉杆效应等优越性能。超前大管棚支护施工现场图如图13所示。

图13 超前大管棚支护施工现场图

管棚采用长度30 m，Φ108 mm×6 mm的有孔钢花钢管。套拱长2 m，厚600 mm；进行钻机作业并及时清孔。最后采用C25混凝土，内埋设20#b工字钢及Φ127 mm孔口管，固定钢筋与孔口管采用双面焊接。注浆结束后，管内用M30水泥砂浆填充密实，以增强管棚的刚度和强度。完成长管棚注浆施工后，在管棚支护环的保护下，按设计的施工步骤进行掘进开挖。当管棚浆液强度达到设计要求后，即可进行暗洞施工。

施工过程须保证套拱基础稳定，地基承载力达到设计要求，混凝土套拱严格定位测量，孔口管角度、位置等准确度直接影响管棚的质量，钢模安装拼接平顺。

4.2 超前小导管支护

图14 超前小导管施工现场图

超前小导管是使开挖工作面稳定的一种有效辅助施工方法，适用于隧道拱顶部位围岩稳定性较差的土层。通过超前小导管注浆能改变围岩应力状况，增强其稳定性。浆液注入围岩裂隙后，能与之紧密接触并凝固，将原有围岩内部土颗粒或裂隙胶结成一个强度大、防水性能良好的固结体，使破碎围岩状况得到改善。超前小导管施工现场图如图14所示。

锁脚锚管采用Φ22 mm、长3 m、壁厚4 mm的砂浆锚杆，锚管角度斜向下10°～15°，每个节点均设置2根锁脚锚管。在钻孔前先喷混凝土，将开挖面封闭以防止漏浆。钻孔时使用的孔眼比管径粗20 mm以上，使用台车钻杆钻孔并按设计控制钻杆仰角。孔钻好后进行吹眼并将钻杆换成钎尾，将导管贯入孔中，外露20 cm以便连接注浆管，并将小导管周围空隙封堵严实。

施工过程须保证小导管从钢架腹部穿过，尾端与钢架焊接，外插角和间距应符合设计。钻孔安装后，合理封堵管口使其能承受规定的最大注浆压力。注浆前，应对开挖面及5 m范围内坑道喷射混凝土以防止孔口跑浆现象。注浆压力应为0.5～1.0 MPa，当注浆压力达到1.0 MPa，注浆量达到设计量的95%时，可结束注浆。

5 检测结果对比

根据施工现场测量报告，检测洞身净空收敛和拱顶沉降。表4为左洞洞口净空收敛计算值与实测值数据对比。由表4可知：围岩竖向沉降累计值逐渐增大，隧道净空收敛增加。实测值与数据模拟计算值吻合程度良好，规律相同，证明了有限元模型的有效性。

表4 左洞洞口净空收敛计算值与实测值数据对比 mm

测点号1234计算值20.155.328.452.3实测值17.649.330.950.1

由于经历冻融循环后围岩性质发生改变，影响隧道结构的稳定性。在冻融循环之前，隧道开挖时对隧道进行喷射混凝土，张拉钢筋网，预先设置锚杆及二次衬砌等，都对隧道的结构稳定起到很好的支撑作用。根据实测数据可以看出：采用超前大管棚加超前小导管支护，左洞拱顶沉降及围岩变形均在控制要求范围内，安全无坍落现象，达到预期效果。

6 结论

(1)经历冻融循环后，特长隧道洞口塑性值增大17.4%，左右两洞口拱顶竖向应力增大15%和21%，拱脚应力增大46.0%和33.8%，锚杆轴力下降约30%，影响已建隧道洞口结构的稳定性与施工安全。

(2)根据施工现场监测点模拟冻融循环前后隧道洞口结构位移变化，得到左洞拱腰水平应力增大46%，净空收敛值增加18.6%。两洞拱顶竖向位移分别增加11.6 mm和17.1 mm，均比冻融循环前增加30%左右。

(3)由于偏压影响，经历冻融循环后右洞内力变化均比左洞大，洞身净空收敛值比左洞增大11%，竖向位移增加1.6倍，施工完成后需要着重注意右洞洞口的结构变化。

(4)通过隧道力学模型分析冻融循环前后洞口内力变化和结构变形等，对比模型模拟数据与工程实测数据，结果变化趋势相同，证明超前大管棚与超前小导管支护综合措施可以降低冻融循环后特长隧道洞口的结构变形。